3D打印技术在中小学教育的应用研究

韩奇 钟红 魏晓风

摘要：经过30年的发展，3D打印技术获得了长足的飞跃，3D打印技术来到了21世纪的舞台上，推动了工业4.0的产生，标志着快速成型技术的诞生。3D打印技术在军事、医学等很多领域大放异彩，3D打印如今在中小学教育的应用逐渐显示出其特色，已成为不可或缺的元素。文章概述了3D打印技术的概念、原理、类型及其在国内外的应用现状，着重对3D打印技术在我国中小学教育领域的应用及其在应用过程中所面临的挑战进行阐述。

关键词：3D打印技术；中小学教育；教育应用；创客教育

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）20-0141-02

Application Research of 3D Printing Technology in Primary and Secondary Education

HAN Qi， ZHONG Hong， WEI Xiao-feng

（Foshan University， Foshan 528000， China）

Abstract： After 30 years of development， 3D printing technology has made great progress. 3D printing technology has come to the stage of the 21st century， which has promoted the emergence of Industry 4.0 and marked the birth of rapid prototyping technology. 3D printing technology shines in many fields such as military and medicine. 3D printing has gradually shown its characteristics in the application of primary and secondary education and has become an indispensable element. The article outlines the concept， principles， types of 3D printing technology and its application status at home and abroad， and focuses on the application of 3D printing technology in China's primary and secondary education and the challenges it faces in the application process.

Key words：3D printing technology； Primary and secondary education；Educational applications；Maker education

1 3D打印技術概述

1.1什么是3D打印

3D打印是一种快速成型技术，是根据数字媒体文件为基础，运用塑料等可粘合的材料，通过逐层堆积融合的方式来实现物体[1]。3D打印的基本原理是：数字分层-物理层积。通俗的话来说，就是3D打印机将计算机三维模型分成一层层的部分，打印机对获得某一层的打印材料和加工方式的数据后进行打印，逐层打印并堆积后，最终将三维模型打印成实物。

1.2 3D打印技术类型

现如今，3D打印技术的分类还没有形成一个统一的标准，根据3D打印在各领域内所用到的各种3D打印材料，从物理形态上主要包含液态光敏树脂材料、薄材（ 纸张、塑料膜）、低熔点丝材和粉末材料四种[2]。此种分类方法从材料成分上包含了几乎所有的打印材料，在中小学教育领域中3D打印机主要使用的是低熔点丝材。

2 3D打印技术国内外应用现状

3D打印技术已在很多领域应用广泛，如军事、建筑、医疗、航空航天、工业、时装、设计等许多不同的领域。例如在军事领域，国外利用3D打印技术制造出手枪、飞机零部件、火箭发动机部件等，我国也相继利用3D打印技术制造出飞机部件等[3]。

在教育领域，《新媒体联盟地平线报告（2015基础教育版）》中提到3D打印是未来2到3年内教育领域将会采纳的技术[4]。在我国，国家教育部在2017年10月颁发的《中小学综合实践活动课程纲要》中提到：鼓励学生了解3D打印技术，学习三维建模的方法和使用3D打印机的方法等3D打印的相关内容。现在国内省市大中小学、教育机构等各教学空间都基本配备3D打印设备，许多中小学校中都已组建相应的3D打印社团，建设创客空间，开展相应的3D打印实践活动和比赛。很多省市教育局与学校联合成立相关的3D打印教育联盟和创客联盟，使3D打印更深入地渗透到中小学教育中。

3 3D打印技术在中小学教育的应用

3.1 3D打印作为学习的对象

3D打印作为一种快速成型的技术，在中小学教育中，可作为一种学习的对象，理解3D打印的概念，教会学生将自己的想法设计出来并建立模型，如何使用3D打印将其实现物体。2010年，美国弗吉尼亚大学在夏洛兹维尔市的幼儿园至12年级的学生推广3D打印技术，让学生了解未来的制造技术，他们将3D打印机带入课堂，比如教幼儿园的孩子们怎么设计和打印弹弓[5]。在我国，随着桌面型3D打印机的普及和应用领域扩大，3D打印机已经被引入了很多的公司和高校，逐步在中小学教育上应用。2015年广州海珠区小学四年级信息技术课程使用3Done打印软件开展3D打印课程[6]。2012年秋季，上海和田路小学与高校合作开发面向小学四、五年级学生的3D打印校本课程--《虚实创造课程》[7]。

如今在中小学信息技术课程中逐步添加3D打印课程，3D打印作为课程的教学目标，让学生学会3D打印课程的操作流程和使3D打印实现创意的工具。3D打印课程在中小学的设立为了适应现代教育方法的改革，改善传统教学理念和教学过程，激发学生的学习兴趣，丰富学生的想象力，培养学生的创新创造能力，提高学生动手的能力，锻炼学生“从做中学”的实践学习性。

3.2 3D打印作为构建学习环境的条件

学习环境是建构主义学习理论中的重要概念，建构主义认为，学习者的知识是在一定的情境下，借助他人的帮助，如人与人的协作、交流、利用必要的信息等，通过意义的建构而获得的[8]。学生进行发现性或探究性学习时，学生通过教师提供的知识或问题，经过自己的思考，发现一定的原理和相关的概念。完成某一个模型或快速验证时，3D打印作为构建学习环境的条件时，提供的是一种快速成型的作用，可使其快速完成结果并验证。

3.3 3D打印融入课程教学

1）3D打印作为协助教学的工具

在中小学的一些学科，例如：数学、物理、化学、生物等学科，教师对书本上的一些事物和物体进行讲解时，没有实物的展示往往使学生理解起来很困难。例如在化学中分子、质子等微观物体进行知识点讲解时，如果使用3D打印将此类微观物体打印出来在课堂上展示，学生对3D打印微观物体的印象会很深，对于此课程知识点的理解也会很深。与此相似的课程知识点还有生物课程中细胞的构造、突触的构造等等。3D打印技术在此时作为教学和学习的工具应用到抽象化的学科中，展现出在学科教学的功能优势，极大地扩大和丰富教学知识的理解，使学生不再只是概念化的学习，而是通过实物化的方式开阔自己的思路，提高了学习效率和知识容量[9]。

2）3D打印改变了以教为主的教学设计模式

3D打印改变了以教为主的教学设计模式。3D打印在中小学教育中的使用，使师生、生生之间的交流增加，学生之间的活动与交流使学生产生了思维碰撞，在探索与发现中获得知识。教师可从传统的“以教为主”的教学模式转变为“以学为主”的教学模式。以3D打印为核心开展的“以学为主”教学活动注重学生之间的协作和交流，以教学目标为导向，以拟解决的问题或项目为起点，小组协作自主解决问题，3D打印技术充当学习活动中的条件和工具，升华学生之间的协作学习。教师在“以学为主”的教学模式中起引领者和辅导者，学生通过这种自由发展的活动，提高了学生探索新知识和新事物的兴趣，激发了学生的创造力，增强了学生之间的合作协助的能力。

3.4 3D打印与创客教育

狭义上的创客是指那些酷爱科技、热衷实践、乐于分享，努力把各种创意转变为现实的人。创客教育的主要理念是提高学生项目式学习、动手操作、协作分享的能力，培养学生创新的思维和创造的能力。3D打印与课程教学融合时，与创客教育的理念相符合。学生在创客空间完成“DIY”作品或者在课堂上完成某个知识点的验证，从提出想法，到设计建模，再打印出物体，对打印的作品展示和评价，3D打印机在过程中充当了必要的物理条件。3D打印在教育的应用使学生之间的思维发生碰撞，激发了学生的空间想象能力，增强了学生创新设计能力，使学科知识之间融合，在做的过程中学习到知识，在探索和造物中体现协作分享，与创客教育结合了起来。3D打印技术在中小学教育上的应用，使创客教育在中小学教育的开展更为通畅。

4 3D打印技术在中小学教育领域的挑战

4.1 3D打印在课堂上的可行性

如今，3D打印技术在各个领域都能大放异彩，但在我国中小学教育的使用和发展则有着很大的阻力。首先，3D打印机价格昂贵，现如今虽然很多中小学校和教育机构都具备了3D打印机，但远远没到普及的时候。在教学中，如果要打印一个地理地势高低的模型，使用小型3D打印机则会浪费很多的打印时间，尤其在模型很大很复杂和打印次数很多的情况下，一些3D打印机的精度不够使其展示效果不佳，而采用虚拟模型通过计算机展示也可以达到同样的效果。在打印一些使用材料过多的模型时，多次打印造成的材料经费使经费不够的学校得不偿失。

3D打印技术在各学科上的应用只是作为辅助和演示工具，在所有学科上使用3D打印，不仅需要大量的物力财力，而且还要在3D打印教师培训方面花费很多的时间，虽然3D打印技术在各学科之间的优越性理想上是充满前景的，但最后的教学效果能不能达到理想的效果也是一个未知数，需要技术的发展和时间的鉴定。

4.2 3D打印在中小学教育的推广

如今我国正大力推广创客教育，对于3D打印技术在教育的推广有了水到渠成的作用。创客教育的目标与3D打印的方向大相径庭，3D打印在创客教育中扮演着重要的角色。但是创客活动的开展不仅只有3D打印课程，还包括其他创意编程、创意机器人、电子类创客课程等，创客活动的开展需要足够的设备和资源，如何更好地推广和使用3D打印课程在创客活动中，是创客活动顺利开展的重要因素。中小学应试教育的局限性使素质教育的推广难度加大，由此3D打印课程的推广也受到了一定的阻碍，学校和学生对3D打印课程的不重视，专业性课程教师的缺乏也是推广受阻的重要原因。3D打印课程中，3D建模和打印技术的推广需要更多经过专业培训的教师，3D打印课程培训的体系如今并没有全国统一的标准，部分城市和地区在当地教育局的开展下逐步完善其培训的方案和课程。如今国家对于创客教育和3D打印的重视，相信未来几年，会逐步有规范的专业教师培训课程和方案。

4.3 中小学3D打印课程教材

3D打印课程如今在我国部分地区已经开展，由于各省市地区中小学教育方面中3D打印课程发展的不平衡，各省市并没有给出统一的教学目标和内容，也没有相应的统一教材，只有一些学校根据自己的本身的情况编写的校本教材。3D打印课程的推广需要相应的教学目标，教学内容和教学标准，有了统一的标准，结合地区发展的不同，各地区可根据本地区教学情况和发展情况编写相应的教材或再次详细教学目标，学校也可根据自己学校的发展编写相应的教材，3D打印教材的制定沿着未来教育的走向而发展。

5 结论

3D打印技术被认为是第三次工业革命的重要标志之一，其广阔的前景和发展对整个工业革命有着重大的影响。3D打印的即时性、创新性、创造性使其能在教育领域的应用前景越来越开阔，其特性决定了迎合了我国中小学教育发展的方向，同时也带来了新的教学和学习模式，3D打印与各学科的融合并推动学科教学的发展，将受到越来越多的关注和期待。

参考文献：

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